小水电信息系统技术及其展望

摘要:论述了我国小水电信息技术的现状、发展及具体内容,指出了其发展趋势和今后主要发展动向,阐明了其与网络技术相结合实现网络化和信息共享的必要性及实现方法。

关键词:小水电;信息技术;网络化;信息共享;展望

作者简介:刘亚成(1973-),男,黑龙江哈尔滨人,安庆皖江发电有限公司,工程师,工学硕士,主要研究方向:电力系统安全经济运行。(安徽 安庆 246000)刘红超(1972-),男,河南巩义人,北京许继电气有限公司,高级工程师,工学博士,主要研究方向:电力系统稳定与控制及信息化。(北京 100085)

一、小水电概述

1.我国小水电建设现状

所谓小水电是指容量为1.0～0.5MW的小水电站,容量小于0.5MW的水电站又称为农村小水电。因此,小水电也包括小小型和微型水电站(虽然小小型和微型电站一般完全局限于为局部地区供电)。我国的小水电资源十分丰富,技术可开发量为1亿kW,广泛分布在全国1500多个山区县。新中国成立50年来,特别是改革开放20年来,中国政府为了解决中西部贫困山区的用电,促进这些地区的经济和社会发展,制定扶持政策大力开发小水电,广大贫困山区群众和水利部门,结合江河治理大力开发农村水电,建设电气化,取得了辉煌成就,小水电开发建设已具有很大规模。到2000年底,全国已建成小水电站4万多座,装机容量2485万千瓦,年发电量近800亿kW·h。全国近1/2的地域、1/3的县和1/4的人口主要靠中小水电供电。近6年来,每年新增装机100万kW以上,每年全国小水电投资规模都在130亿元以上,目前在建规模近500万kW。中小水电已成为中西部山区经济的重要支柱、地方财政的主要来源及农民脱贫致富的重要途径。

2.小水电信息技术的现状及其特点

广义上的小水电信息系统是指以农村小水电为主的电力企业的综合一体化信息系统,包括电网自动化系统(EMS、DMS)、地理信息系统(GIS)、生产管理信息系统(MIS)和办公自动化系统(OA)等。各水电站的信息系统是其技术基础。水电站信息系统包括水电站的综合自动化系统以及与调度的通信和网络化,其核心为水电站的监控系统。

我国水电厂自动化工作从1979年以来,经科研试点和逐步推广2个阶段,目前水电厂普遍在进行计算机监控系统的建设,实现自动经济运行和安全监控,并推广无人值班、少人值守管理模式。一些大中型水电站已不同程度实现了“无人值班”(少人值守),但小型水电站在此方面仍比较落后,自动化程度仍不太高。计算机监控技术由20世纪80年代初的集中控制、功能分散模式,进入80年代的分层分布模式,发展到90年代初的开放分布式模式。分布式监控系统以控制对象分散为主要特征,对水电厂而言包括水轮发电机组、开关站、公用设备、闸门及船闸等。按控制对象为单元设置多套相应的装置,构成水电厂现地控制单元,完成控制对象的数据采集和处理、机组等主要设备的控制和调节及装置的数据通信等。水电厂采用分布式处理,一般与电厂分层控制相结合,形成水电厂分层、分布式控制系统,这种模式在国内外水电厂应用很广。

目前,许多地区新建小水电站也将以计算机监控为核心的综合自动化作为必备的重要工程内容。但从总体上来说,微机监控在小型水电站的应用和推广还处于起步阶段,在认识上和技术上都还有许多问题值得研究和推广。

小水电站的突出特点就是规模较小,按其容量可为三类:微型(小于100kW),小小型(100-1000kW)和小型(1000-10000kW)。因此,其自动化系统也应根据其特点而区别对待,因地制宜。对于容量很小的微型电站来说,设计越简单,控制系统就越简单,经济上也就越有生命力;而对于容量大些的小水电站来说,就要确保电站有较复杂和完善的保护和控制装置。

二、信息共享和信息网络化是发展的必然趋势

目前,世界范围内高科技迅猛发展,知识经济初现端倪,我国也正在推动国民经济的信息化。信息化将对水电建设、运行及管理产生巨大影响。高新技术的突飞猛进,大量新材料、新工艺的使用,尤其是以计算机和通信技术为基础的现代信息技术发展迅速和日益成熟,我国的电站和电网也在全面推广应用计算机控制和现代通信技术,实现综合自动化、无人值班和优化调度等。当前,我国电力体制改革的总目标是要打破垄断、引进竞争,实行“厂网分开、竞价上网、输配分开、竞争供电”。电力市场的建立和发展成为必然趋势。这些都将对小水电的信息系统技术的发展和应用带来深刻影响。

根据世界科技发展的总趋势,在20世纪80年代末期,国家为迅速增强我国的综合国力,拟定了用电子信息技术改造传统产业的战略决策。在此之前,我国已有不少的大、中型水电站采用了以电子计算机为主的监控技术,并取得了显著的成效。1993年以后,国家水利部和电力部陆续共同颁布了水电站计算机监控的有关规程、规范、技术条件、技术标准等。现在,国内外许多电力自动化设备生产厂家、科研院所都在积极研究开发适合于小水电特点的综合自动化系统,并和调度自动化系统(EMS)、地理信息系统(GIS)、管理信息系统(MIS)、负荷管理系统(LM)、配电自动化系统(DMS)等相结合,形成电力企业生产、管理、运行系统信息高度共享、高度自动化的一体化系统。并且,为适应电力体制改革和电力市场的发展,基于电力市场的水电厂报价系统、梯级电站最优调度以及机组组合等系统也应运而生,并逐步走向实用化。实行小水电技术改造,实现“无人值班”(少人值守),是小水电发展的必然趋势。

提高电站的自动化水平是降低运行成本的一个重要方面。在计划经济条件下建设的小水电站,初步设计中考虑自动化水平时,强调了“自动化水平与电站规模相适应”,客观上起到了对其限制的作用。这是基于当时的科技发展水平和运行人员素质较低的情况所决定的。但是,科学技术是不断发展的,新设备和新材料、新工艺层出不穷,敢于使用它们才能促进生产的发展。随着电力市场的发展,需要提高电站的竞争能力,竞价就是要物美价廉。要做到这,除了提高供电质量外,还要降低发电成本,其根本的出路就在于减人增效。关键是敢于使用先进自动化设备。选择适用小型水电站的自动监测、控制和保护设备,对其实行遥测、遥信、遍调和遥控,使电站运行实自动化,做到少人值班或无人值班,提高电站运行的经济性、可靠性和安全性,是技术更新改造的目的之一。

三、小水电信息技术的主要内容

1.实时控制信息

(1)综合自动化的实时信息。如前所述,小水电信息系统的基础是水电站的监控系统。水电站的监控系统是一个集测量、控制、调节、保护、信号等诸功能为一体的综合自动化系统。这个系统必须建立在厂、站单机自动化的基础上。

小型水电站的微机监控系统的范围包括:对反映电站运行的各种电的和非电的模拟量和开关量,如电压、电流、有功、无功、频率、温度、压力、流量、前池和尾水的水位以及断路器、开关、继电器的位置等进行监测;对水电站内的主要设备,如发电机组、机前阀门(球阀、蝶阀或快速闸门),开、停机电磁阀、调速机构、励磁装置、制动装置、发电机出口断路器、灭磁开关等实现控制和调节;对公用设备,如主变压器、主要线路(10kV、35kV以上的馈电线),自用电源等实现控制;对于励磁系统、调速系统、同步系统,以及气、水、油系统的辅机已有常规或微机化的自动装置,微机监控系统不再重复设置这些装置自动控制功能,但应与这些装置接口,以便对这些装置进行控制和检测。

(2)配电自动化系统的实时信息。配电自动化系统(DMS)是一个非常庞大复杂的系统,它的内容很多,功能也很多,但其至少应具有的三项基本功能是:监视、控制和保护。DMS的主要功能模块包括配电SCADA系统、地理信息系统(GIS)、配电管理系统(MIS)、故障投诉管理(TCM)、用电营业管理、电能计费、负荷管理(LM)、馈线自动化等。配电自动化系统的结构如图1所示。

配电自动化系统主要由馈线终端(FTU)完成实时数据的采集,包括:三相电压(kV)、三相电流(A)、零序电流(A)、功率和电度量(kVar、kW、kVarh、kWh)、相角和功率因素、电流方向、开关状态、电容器切换状态、SOE、遥控返校信息等。数据经过前置机处理后,通过网络向主站转发,同时前置机通过网络接收主站下发的各种命令,组帧后向FTU发送,还可以直接实现遥控功能。

(3)地理信息系统.地理信息系统的应用为配电网的运行管理提供了一个具有地理环境信息的网络模型,它把地理信息系统和配电网络有机结合起来,提供了一个以城市地理图为背景的配电网络图。在图1中用不同的元素代表配电网络中的变电站、线路、刀闸、配电等设备,并建立设备间的拓扑关系,构造出与实际配电网络类似的网络模型。主要用于配电设备的管理和进行一些配电网络的分析,对配电网设备的资产、规划、设计、施工、检修等进行有效的管理,并支持应用软件的开发和其它子系统功能的实现,如馈线自动化、故障投诉管理等。利用ODBC技术将配电设备与外部数据库灵活地进行挂接,利用SQL查询、区域检查等手段查询设备的数据,进行特定的统计。完成电流方向计算、停电分析等分析功能,并可挂接外部实时数据库,进行电网运行情况动态跟踪。

2.实时电力市场信息

市场运营机制引入到电力系统是从20世纪90年代开始的,随着市场竞争理论被引入垄断经营的电力系统,并与电力技术、控制技术和信息技术充分融合,导致了电力市场运营技术的诞生;随着Internet网的迅速普及,其渗透到社会生活的各个方面,导致电子商务的诞生,促进了电力市场的迅速发展,可以认为电力市场是电子商务的一种特殊形式。

电力市场运营的数据基础是电能量计量系统。电能量计量系统的建设是随着电力商业化运营的开展、电厂出现多元化投资主体而开始的。电能量计量系统主要实现电厂上网及联络线关口点电能量的计量、分时段存储、采集和处理,为结算和分析提供基本数据。电能量计量系统的信息采集范围应满足电力市场运营和结算考核的要求。其测点范围一般应包括:

(1)电厂上网电能量的计费关口点。

(2)跨省区电能量交易计费关口点(一般设置在联络线的两侧)。

(3)过网电能量计费关口点,需单独计算过网费的子网、线路、变电所应设置相应的计费关口点。

(4)直供(或允许直接从市场上购买电力)的用户(或零售商、配电公司)计费关口点。

(5)下网电能量计量(计费)关口点(用于负荷预测计算或一些考核功能),这部分数据也可由配电公司的电能量计量系统直接测出用户负荷后上报获得。

(6)无功电能量计费关口点。

(7)采集的信息应包括表计数据、事件信息、报警信息、时钟同步信息等。

另外,EMS是电力市场运营系统中的重要组成部分,它完成了大量实时数据的采集和处理,这些信息是结算系统、信息发布系统和交易管理系统所必需的。同时,电力市场机制的引入给EMS带来了功能上和内涵上的重大变化。

3.非实时信息

电力企业的管理信息系统是包括输配电管理、办公自动化、决策、检索等在内的综合管理系统。其中输配电网管理系统是电力企业生产管理、安全管理的基础之一,对电网发展、提高电网的供电水平有着十分重要的作用,是电力企业管理信息系统的基本组成部分。

输配电网管理主要分为四类:一是基础信息,含电网电气结线、设备属性参数;二是运行信息,含设备运行情况、工作状态;三是环境信息,含设备安装地点,与其它设备、设施的关系,如线路的共杆,交叉跨越等;四是生产计划管理。

输配电网管理信息系统设计目标是满足输配电管理及有关部门(调度、生产部、用电管理、电网规划等)的管理要求,并具有恰当的超前性,以适应管理水平提高的要求。

输配电管理信息系统的具体功能是能显示或查询,分为8类。

(1)输电网络结线:输电网络电气结线(含杆号、导线型号、截面、允许电流、长度);输电网络地理沿布(二维或三维);线路的共杆与交叉跨越提示及产权维护责任提示。

(2)配电网络结线:配电网络电气结线(含杆号、导线型号、截面、允许电流、长度);配电网络地理沿布(二维或三维);线路的共杆与交叉跨越提示及产权维护责任提示。

(3)电站、开闭所、配电室结线:变电站电气结线;变电站电气平面布置;开闭所电气结线;开闭所平面布置;配电室电气结线;配电室平面布置;变电站、开闭所、配电室设备产权、维护责任、调度权限提示。

(4)一次设备属性卡片:输电线路设备(塔型、金具、绝缘子型号、厂家);配电线路设备(杆型、金具、变压器、刀闸、令克、避雷器、电缆头型号、厂家、投运年月);开闭所设备(开关、刀闸、避雷器、电容器、电缆型号参数、厂家、投运年月);配电室设备(开关、刀闸、避雷器、电容器、电缆型号参数、厂家、投运年月)。

(5)一次设备变更纪录。

(6)设备维护纪录:输电设备缺陷及检修纪录;输电设备巡视、预防性试验纪录;配电设备缺陷及检修纪录;配电设备巡视、预防性试验纪录;开闭所设备缺陷及检修纪录;开闭所设备巡视、预防性试验纪录。

(7)设备环境异常提示:电气线路、设备附近建筑物、树木、设施变化、危及设备安全运行情况纪录。

(8)低压网结线与状态显示:低压线电气图;低压线地理沿布;低压线与高压线共杆、交叉提示。

4.小水电信息技术最新进展

电力系统信息技术的发展首先是电力系统的自动化。电力系统自动化技术沿着元件—局部—子系统(岛)—管理系统的道路发展。理论发展可以分为3个阶段:20世纪60年代以前处在经典理论阶段;七八十年代注入了控制论,形成了以计算机为基础的现代理论阶段;90年代以后注入经济理论,而达到电力市场理论阶段。20世纪70年代中期,运用系统工程理论将现代理论的技术成果有机地组织在一起便形成了EMS,并随着电力工业的改革而发展。

近年来在分布式系统基础上发展出全开放、全分布式监控系统,整个系统各设备均遵循IEEE、ISO、IEC等有关国际规约,接入一个全开放式的总线网络,使硬件的增减、更换很方便,各节点的自治性、独立性高,且整个系统的可靠性、可维护性明显高于集中式和分层分布式系统,这也是今后水电厂计算机监控系统发展的方向。

水电厂要实现无人值班,除要建设好厂内的计算机实时监控过程外,还须会同各级调度部门,结合电网调度的实际需要,共同参与电网调度自动化系统建设,完成数据采集和监视(SCADA)、自动发电控制(AGC)和电压控制(AVC)以及远程通信网络建设等工程,并提高系统的智能化程度:能对所采集的数据进行综合分析,对设备运行情况做出判断,自动采取有效措施或提供处理指导。

四、小水电信息网的模式

现代电力自动化系统是基于分布式的开放式结构,将EMS/SCADA/DMS和MIS、GIS有机集成为一体。Internet和Intranet的使用正快速渗透到电力系统运行领域,为软件技术的集成提供良好的环境,成为决定自动化信息系统设计的重要因素之一。

1.小水电的企业内部网(Intranet)

小水电的企业内部网是指一个以小水电为主的地区电力公司建设的Intranet。该网络包括调度自动化系统(EMS,包括公司所属各厂站的综合自动化系统)、管理信息系统(MIS,包括生产管理系统、办公自动化系统)、地区电网的地理信息系统(GIS)、配电管理系统(DMS)以及电力市场运营系统等组成的综合信息网络。它实现了公司内部生产、运营、管理等各方面信息的高度综合和共享,提高了电网运行的可靠性和公司的现代化水平,降低了运营成本。一个典型的小水电信息网结构模型如图2所示。

企业的Intranet再通过Internet实现更大范围的信息共享,并可通过Internet或专用通信方式实现省级小水电信息网互联,为电力市场、联合调度及其他各方面的信息共享创造条件。这将在下节中论述。

小水电信息网中最基础的是各厂站的综合自动化系统和调度自动化系统。调度自动化系统由1个调度端,多个厂、站端和通道三部分组成。可以将管理信息系统和地理信息系统通过预留接口与调度自动化系统互联,实现企业内部网,也可采用以下将介绍的用Web技术实现企业内部网的互联。

2.用Web技术实现小水电的信息联网

(1)系统框架模式。虽然用传统的设计方法能够满足小水电信息系统联网的需要,但随着新技术的不断涌现和业务的不断拓展,它将会在功能扩充、完善和数据共享等方面造成诸多局限。Web技术在Intranet和Internet中的应用使网络的使用和操作更方便和容易。

如图2所示,可以用基于Web技术的组件式设计方法实现小水电企业信息系统的联网。采用组件式设计方法和WWW技术构造小水电信息网的基本思想是在Internet/Intranet的基础上,通过客户端的浏览器调用各应用系统的应用功能,即Web浏览器是客户端的主要操作平台,而系统功能的具体实现由高性能的Web服务器和各子系统的服务器协同完成,并将结果回送给客户端。

(2)系统实现方法。首先,调度自动化系统、配电自动化系统、管理信息系统和地理信息系统等子系统可以采用Web技术,Web服务器设在主站侧,厂站侧及各办公室设Web浏览终端,操作界面很友好,操作简单。目前,已有组件式的配电网地理信息系统(GIS)和WebGIS(基于Web的GIS)在开发之中。然后,将各个子系统服务器通过光纤等信道连入企业总的Web服务器(如果系统规模较小,也可以以某一子系统的Web服务器作总服务器),形成企业内部的信息网,实现信息共享。

(3)小水电内部网和互联网(Internet)的联结。当今的时代被称做“网络时代”,计算机技术与通信技术的融合、Internet的普及,不仅改变着社会的生产方式和经营方式,也改变着人们的生活方式。正是由于数据网络尤其是Internet的迅猛发展,使之成为新经济时代电力信息系统不可或缺的基础平台。

以IP技术为核心的Internet网络遍布世界,对IP协议的支持已成为计算机系统的核心组成部分,因此,必须从战略的高度来认识IP技术。对于小水电系统,适应电力体制改革和信息网络技术发展的要求,打开通向世界的门户,必须实现内部网和Internet的连结。小水电企业内部网与Internet联网的示意图参看图2。可以通过Internet形成省级小水电信息网,而且各小水电内部网通过与Internet的联接,可以方便地实现与外部的信息交流,向外部发布企业信息以及实现电子商务,提高企业的运营水平,更好地促进企业的发展。

五、结束语

小水电属于非碳清洁能源。既不存在资源枯竭问题,又不会对环境造成污染,是中国实施可持续发展战略不可缺少的组成部分。因地制宜地开发小水电等可再生能源,把水力资源转变成高品位的电能,不仅对于农村地区(尤其是老少边穷地区)的脱贫致富,提高人民生活水平具有现实意义,而且对保护生态环境,促进农村社会、经济、环境协调发展也有着十分重要的作用。

大力开发水电是21世纪中国实施社会和国民经济可持续发展的必然选择。国家制定的可再生能源发展计划,把装机2.5万kW以下的小水电列入了受国家政策重点扶持可再生能源名单。“十一五”期间及今后相当长时期内,我国水电开发将得到国家重点支持,水电及农村电气化即将迎来又一个春天。同时,随着计算机技术、控制技术及通信技术的发展,小水电自动化和信息系统面临着空前的变革。多媒体技术、智能控制、网络技术将迅速进入小水电信息系统领域,必将推动小水电信息系统向更高水平发展。

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(责任编辑:刘辉)

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